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Instalaciones de vapor: Generadores, Acumuladores, Condensado y Trampas de Vapor

Las instalaciones de vapor desempeñan un papel fundamental en diversos sectores industriales, proporcionando una fuente de energía térmica versátil y eficiente. Sin embargo, gestionar adecuadamente el condensado, las trampas de vapor y los acumuladores es esencial para garantizar un funcionamiento óptimo y maximizar la eficiencia energética. Exploremos las características de estos componentes y muchos otros aspectos fundamentales de las instalaciones de vapor.

El elemento fundamental en cualquier instalación de vapor industrial es la fuente de energía o en este caso un generador de vapor. Sin una fuente de energía constante no podría funcionar eficientemente ningún proceso industrial donde se utilice vapor. Cuando hablamos de vapor en la industria, generalmente nos referimos a vapor de agua. Este vapor es una forma gaseosa del agua y se utiliza ampliamente en la industria debido a sus propiedades únicas y versátiles. Hablemos de los generadores de vapor…

Generador de vapor

Generador de Vapor

El generador de vapor es un sistema compuesto por una serie de componentes y dispositivos auxiliares que trabajan en conjunto para transferir el calor proveniente de una fuente de energía, ya sea combustible, calor residual o fisión nuclear, del sol, etc., al agua, generando así vapor. Este proceso se lleva a cabo mediante un intercambiador de calor.

Dentro de estos sistemas, encontramos una variedad de equipos que desempeñan funciones específicas con el objetivo de asegurar el correcto funcionamiento y mejorar la eficiencia térmica. Estos elementos trabajan en sinergia para garantizar la transferencia eficiente de calor y la transformación del agua en vapor.

¿Para qué se genera vapor en la industria?. ¿En qué utilizamos el Vapor?

El vapor de agua es un recurso ampliamente utilizado debido a su accesibilidad, facilidad de manipulación y comprensión. Su origen está en el agua, una sustancia que conocemos en gran medida y comprendemos su comportamiento a diferentes presiones y temperaturas. Esta familiaridad con el agua nos permite predecir cómo se comportará como vapor en condiciones específicas, así como cuánta energía térmica puede transportar y liberar en cada situación.

La versatilidad del vapor de agua como portador de energía se basa en nuestra comprensión de las propiedades termodinámicas del agua y su comportamiento en diferentes situaciones. Esto nos permite utilizar el vapor de agua en una amplia gama de aplicaciones industriales, desde la generación de energía eléctrica hasta procesos de calefacción, limpieza, esterilización y procesamiento de alimentos.

Generadores de vapor más comunes y su utilización en la industria

  1. Calderas de vapor: Las calderas de vapor son uno de los tipos más tradicionales de generadores de vapor. Utilizan combustibles como gas natural, fueloil, carbón o biomasa para generar calor y producir vapor. Las calderas pueden ser de diferentes tipos; calderas acuotubulares, pirotubulares, de tubos de humo, de recirculación forzada, entre otras.
  2. Generadores de vapor de recuperación de calor: Estos generadores aprovechan el calor residual de otros procesos industriales, como motores de combustión interna, hornos o sistemas de escape, para producir vapor. El calor residual se transfiere a través de intercambiadores de calor y se utiliza para generar vapor a alta presión y temperatura.
  3. Generadores de vapor de desecho: También conocidos como generadores de vapor flash, utilizan agua de desecho o agua residual caliente para generar vapor. Este tipo de generador de vapor aprovecha el calor contenido en el agua de desecho, lo que permite su reutilización y mejora la eficiencia energética de los procesos industriales.
  4. Generadores de vapor eléctricos: Estos generadores utilizan electricidad para calentar el agua y producir vapor. Suelen ser más compactos y fáciles de instalar en comparación con otros tipos de generadores de vapor. Son especialmente útiles en aplicaciones donde no se dispone de combustibles o cuando se requiere una respuesta rápida y precisa en la generación de vapor.
  5. Generadores de vapor por inducción: Utilizan la inducción electromagnética para calentar directamente el agua y producir vapor. Este tipo de generador de vapor es eficiente y puede proporcionar vapor de alta calidad en un corto período de tiempo. Son ampliamente utilizados en la industria de la alimentación, hospitales y laboratorios.
  6. Generadores de vapor solares: Estos sistemas utilizan la energía solar para calentar el agua y producir vapor. Pueden emplear colectores solares térmicos o espejos parabólicos para concentrar la radiación solar y generar calor. Aunque su aplicación es más limitada, los generadores de vapor solares son una opción sostenible y limpia en ciertas condiciones climáticas.

Requerimientos que debe cumplir un generador de vapor

En cada instalación industrial el generador de vapor debe ser cuidadosamente seleccionado e instalado y para eso debemos seguir algunos criterios que motiven su correcta selección.

  1. Capacidad de producción de vapor: El generador de vapor debe tener la capacidad adecuada para producir la cantidad de vapor requerida por el proceso industrial. Es esencial evaluar la demanda de vapor y seleccionar un generador con la capacidad suficiente para satisfacerla de manera eficiente.
  2. Eficiencia energética: Un generador de vapor eficiente energéticamente es capaz de convertir la mayor cantidad posible de calor en vapor. La eficiencia se puede mejorar mediante la optimización del diseño, la recuperación de calor residual y el uso de tecnologías avanzadas de combustión.
  3. Seguridad: La seguridad es primordial en los generadores de vapor. Deben cumplir con las normativas y estándares de seguridad aplicables. Los sistemas de control y protección deben estar correctamente instalados y operar de manera confiable para garantizar una operación segura y minimizar los riesgos de sobrepresión, explosiones o fugas.
  4. Control y automatización: Los generadores de vapor modernos deben contar con sistemas de control y automatización que permitan supervisar y regular las variables operativas, como la presión, la temperatura y el caudal de agua y combustible. Esto ayuda a mantener un funcionamiento estable y seguro, y permite ajustes precisos en función de las demandas cambiantes.
  5. Mantenimiento y accesibilidad: Es importante considerar la facilidad de mantenimiento y acceso a los componentes del generador de vapor. Los puntos de inspección, limpieza y reparación deben ser fácilmente accesibles para garantizar un mantenimiento regular y una respuesta rápida en caso de averías.
  6. Calidad del vapor: El generador de vapor debe ser capaz de producir vapor con las características adecuadas para el proceso industrial específico. Esto incluye la temperatura, la presión, la pureza y la humedad del vapor, según las necesidades del proceso.
  7. Durabilidad y vida útil: Un generador de vapor debe ser duradero y resistente para soportar las condiciones operativas y mantener un rendimiento óptimo a lo largo del tiempo. Los materiales de construcción, la resistencia a la corrosión y la calidad de fabricación son aspectos importantes a considerar para asegurar una vida útil prolongada.

Acumuladores de Vapor

Una solución para abordar las fluctuaciones de carga en un generador de vapor es utilizar acumuladores de vapor, estos permiten almacenar el calor útil del vapor. De esta manera, se puede recuperar el calor almacenado en cualquier momento para satisfacer las variaciones de la demanda de vapor.

Los acumuladores de vapor son dispositivos de almacenamiento a presión que permiten la acumulación de agua y vapor. Su objetivo principal es asegurar la retención y acumulación de vapor, que representa energía, para hacer frente a las variaciones de carga que pueden producirse de manera abrupta y en períodos de tiempo reducidos.

Estos equipos desempeñan un papel fundamental en la estabilidad y eficiencia de los sistemas de vapor, ya que actúan como reservorios que permiten absorber y liberar vapor según las necesidades del sistema. Almacenan el exceso de vapor generado durante períodos de alta demanda y lo liberan cuando la demanda disminuye, evitando así fluctuaciones bruscas en la presión y asegurando un suministro constante y estable de vapor.

La capacidad de los acumuladores de vapor para adaptarse rápidamente a las variaciones de carga ayuda a mantener un funcionamiento eficiente de los equipos y a evitar posibles daños o disminuciones en el rendimiento del sistema. Además, el almacenamiento de vapor en estos equipos permite aprovechar eficientemente la energía térmica generada, asegurando un uso óptimo de los recursos y reduciendo los costos operativos.

Requisitos para el correcto funcionamiento de los acumuladores de vapor

  1. Dimensionamiento adecuado: Los acumuladores de vapor deben dimensionarse correctamente para satisfacer las necesidades de carga del sistema. Esto implica considerar la capacidad de almacenamiento de vapor requerida, la variación de carga esperada y los parámetros de operación, como la presión y la temperatura.
  2. Presión y temperatura adecuadas: Los acumuladores de vapor deben operar dentro de los límites de presión y temperatura establecidos para el sistema. Se deben considerar las presiones y temperaturas máximas y mínimas permitidas, así como las variaciones esperadas durante el funcionamiento normal y las fluctuaciones de carga.
  3. Diseño y construcción robustos: Los acumuladores de vapor deben diseñarse y construirse de acuerdo con las normas y estándares aplicables. Deben ser capaces de soportar las presiones y temperaturas de operación, así como de resistir la corrosión y otros efectos adversos asociados con el ambiente y el fluido de vapor.
  4. Válvulas y dispositivos de seguridad: Es fundamental contar con válvulas y dispositivos de seguridad adecuados en los acumuladores de vapor. Estos componentes ayudan a controlar la presión y a proteger el sistema de sobrepresiones y posibles fallos. Las válvulas de alivio de presión y los manómetros son ejemplos comunes de dispositivos de seguridad utilizados en los acumuladores de vapor.
  5. Mantenimiento regular: Los acumuladores de vapor requieren un mantenimiento regular para garantizar su correcto funcionamiento. Esto implica inspecciones periódicas, limpieza de depósitos o incrustaciones, verificación y ajuste de válvulas y dispositivos de seguridad, y reemplazo de componentes desgastados o defectuosos.
  6. Control y monitoreo adecuados: Es esencial contar con un sistema de control y monitoreo adecuado para los acumuladores de vapor. Esto puede incluir la instalación de instrumentación para medir la presión, temperatura y nivel de agua, así como la implementación de sistemas de control automático para regular el suministro y la descarga de vapor.

Dimensionamiento del acumulador de vapor

Balance de masa en el acumulador

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Balance de energía en el acumulador

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Volumen del acumulador

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Definiendo el volumen del acumulador de vapor como un cilindro

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Purgadores de Vapor: Análisis de Trampas y Eliminación de Condensado

En una red de vapor, los purgadores de vapor desempeñan un papel fundamental eliminando los condensados de la red y/o de los equipos que consumen vapor, evitando que escape el vapor. Estas válvulas automáticas, conocidas como trampas de vapor, son el método más comúnmente utilizado en la práctica para extraer el condensado cuando la presión del equipo es mayor que la presión atmosférica.

Es crucial que los purgadores funcionen con una alta fiabilidad, ya que la presencia de condensados, aire o gases en las superficies de intercambio de calor reduce el coeficiente global de transferencia de calor. Además, ciertos gases presentes en el vapor, como el CO2 y el O2, pueden provocar corrosión en los metales. El flujo de condensado en los equipos que consumen vapor se rige por un balance específico realizado en cada uno de ellos.

Cuando el vapor sale del generador, cede energía y se produce una transformación de fase, convirtiendo parte del vapor en agua en las redes, lo que se conoce como condensado. Este condensado puede ofrecer una gran resistencia al intercambio de calor si se acumula en los equipos, e incluso puede obstruir la red si no se elimina adecuadamente.

Sin embargo, a través del condensado, es posible obtener lo que se conoce como “vapor flash”. Esto implica descargar el condensado a una presión inferior a la que se encuentra, lo que genera un porcentaje de vapor que se puede reintroducir nuevamente en el sistema.

Ejemplo de instalación de vapor

Principales tipos de trampas utilizadas en la recuperación del condensado:

Según el principio de funcionamiento

  1. Trampas mecánicas.
  2. Trampas termodinámicas.
  3. Trampas termostáticas.
  4. Trampas Mixtas.

Para saber más sobre purgadores de vapor te recomiendo que visites el siguiente enlace. Purgadores de Vapor, Tipos-Selección-Instalación.

Flujo de condensado generado en la instalación

El flujo de condensado en un sistema de vapor está determinado por varios aspectos, como:

  • Generado en las redes de vapor en el arranque
  • Generado en los equipos consumidores de vapor

De este último el valor está determinado por el funcionamiento de los mismos y las trampas deben ajustarse a su régimen de trabajo (caudal, diferencia de presiones, etc.). Debe existir una trampa por equipo. Este valor en el arranque se debe afectar por el factor de seguridad en función del tipo de trampa. Cada flujo está afectado por un factor de seguridad, que depende del tipo de trampa:

Condensado en redes generado en el arranque:

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Donde:

  • mcond – flujo de condensado recuperado en el arranque (kg/h)
  • M – Masa (peso) de la red y accesorios (kg);
  • Tv – Temperatura del vapor (°C);
  • Tamb – Temperatura ambiente (°C);
  • cpt – calor específico del material de la red (kJ/kg°C);
  • hv – entalpia del vapor (kJ/kg);
  • t – tiempo de pré-calentamiento (min);

Condensado generado afectado por el factor de seguridad en el arranque:

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Donde:

  • mcorreg– flujo de condensado corregido por el factor de seguridad a evacuar en la red en el arranque(kg/h).
  • FS – factor de seguridad
  • mcond – flujo de condensado recuperado en el arranque (kg/h)

Factor de seguridad en función del tipo de trampa

  • Trampas mecánicas (FS = 1,5 — 2,5).
  • Trampas termodinámicas (FS = 2 4).
  • Trampas termostáticas (FS = 1,2 — 2).

Número de trampas (N) y Condensado evacuado en la red:

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Donde:

  • mcorreg– flujo de condensado corregido por el factor de seguridad a evacuar en la red en el arranque(kg/h)
  • N – número de trampas colocadas en la red
  • mevac – flujo de condensado evacuado por cada red (kg/h)

En este caso se procede en función del mevac por cada trampa, en el catálogo se selecciona el número de trampas necesarias en cada tramo analizado. Este número de trampas debe ser un número entero y se aproxima por exceso y después se debe ajustar nuevamente el flujo de condensado que tiene ser evacuado por cada trampa.

Alineamiento y drenaje de una red de vapor:

Instalación de los  purgadores o trampas de vapor:

  • Son colocados en los puntos más bajos de las longitudes de las redes o de los equipos.
  • En las largas longitudes de las redes, los purgadores deben instalarse en longitudes del mismo valor, o sea equidistantes.
  • El purgador debe quedar instalado entre dos válvulas de interrupción.
  • Deben poseer un filtro que anteceda al mismo.
  • Correcta selección de los mismos en función del flujo, presión diferencial (generación del condensado y descarga), resistencia, otros parámetros técnicos de interés).
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